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第六章陶瓷基复合材料( CMC ) 概述 CMC 制备工艺 CMC 界面性能应用概述?工程陶瓷的主要问题?特种陶瓷优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀性高, ?脆性大、抗热震性能差。?陶瓷基复合材料(CMC) 及其高韧性?以陶瓷为基体的复合材料。?制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量,使韧性得以大幅度提高。?表6-1 列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。 2概述?陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。?碳化硅、氮化硅、氧化铝等,具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。化学键往往是介于离子键与共价键之间的混合键。?陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。?从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。?碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件; 其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。?纤维增强陶瓷基复合材料,是改善陶瓷材料韧性的重要手段。 3概述?短纤维、晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。?目前常用的是 SiC 和A1 2O A1 2O 3,SiO 2, Si 3N 4以及莫来石等。?晶须具有长径比,含量较高时,桥架效应使致密化因难,引起了密度的下降导致性能下降。?颗粒代替晶须在原料的混合均匀化及烧结致密化方面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。目前这些复合材料已广泛用来制造***。 4概述?陶瓷基复合材料发展迟滞?高温增强材料出现的较晚, sic 纤维和晶须是七十年代后出现; ?高温制备工艺复杂,热膨胀系数的差异大,易产生热应力; ?成本昂贵。它的发展遇到了比其它复合材料更大的困难。至今,陶瓷基复合材料的研究还处于较初级阶段,我国对陶瓷基复合材料的研究则刚刚起步。 5 CMC 制备工艺?纤维增强陶瓷基复合材料的加工与制备?纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素,如基体致密程度、纤维的氧化损伤、以及界面结合效果等,都与其制备和加工工艺有关。主要有热压烧结法和浸渍法。?热压烧结法及其问题?热压烧结法中,压力和高温同时作用可以加速致密化速率,获得无气孔和细晶粒的构件。?困难是基体与增强材料的混合不均匀以及晶须和纤维在混合过程中或压制过程中,尤其是在冷压情况下易发生折断。在烧结过程中,由于基体发生体积收缩, 会导致复合材料产生裂纹。 6 CMC 制备工艺?浆体浸渍-热压法?适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状, 然后用陶瓷泥浆浸渍, 干燥后进行烧结。?优点是加热温度较晶体陶瓷低,层板的堆垛次序可任意排列,纤维分布均匀,气孔率低,获得的强度较高。?缺点则是不能制造大尺寸的制品,所得制品的致密度较低,此外零件的形状不宜太复杂,基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。 7 CMC 制备工艺 8 CMC 制备工艺?晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备?晶须与颗粒的尺寸均很小,只是几何形状上有些区别, 用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。?基本上是采用粉末冶金方法。制备工艺比长纤维复合材料简便很多。所用设备也不复杂设备。过程简单。混合均匀,热压烧结即可制得高性能的复合材料。 9 CMC 制备工艺?制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。?改进的浆体法陶瓷基复合材料的制备还有溶胶凝胶法、液态浸渍法、直接氧化法等,新近发展起来的制备陶瓷基复合材料的方法还有聚合物先驱体热解工艺、原位复合工艺等。 10